ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК H01L31/00 H02N6/00 

Изобретение относится к физическим источникам тока, предназначенным для преобразования энергии постоянного тока на входе в энергию постоянного тока на выходе, и может быть использовано в системах электропитания объектов многих областей науки и техники.

В современной научной и производственной практике известны устройства, принцип действия которых основан на последовательном преобразовании энергии светового излучения солнца или искусственного источника света в электрическую энергию. У всех этих устройств источником электрической энергии является фотоэлемент.

Известны фотопреобразователи используемые в системах электропитания космических летательных аппаратов (см. Грилихес В.А. Солнечные космические энергостанции, Л. , 1986 г., с.27). Практика эксплуатации солнечных энергоустановок показывает, что отсутствие на борту космического аппарата первичного источника энергии позволяет избежать многих сложных проблем, возникающих при создании и эксплуатации химических и ядерных энергоустановок, дает возможность повысить надежность и безопасность бортовых систем энергопитания, хотя одновременно приводит и к некоторым негативным последствиям. В частности, нужно постоянно ориентировать солнечную энергоустановку на солнце, а при полетах по частично затененным орбитам необходимо иметь на борту буферный источник электрической энергии (обычно химический) для питания потребителей. Эти обстоятельства несколько снижают эффективность применения солнечных энергетических установок.

Известен также фотопреобразователь, выполненный в виде высоковольтного источника тока на основе косонапыленной фотовольтаической пленки (см. а.с. СССР N 467786, кл. B 22 D 17/22, 1976 г.). Однако этот источник тока обладает большим внутренним сопротивлением и малыми разрядными токами, что значительно снижает его функциональные возможности.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является высоковольтный фотопреобразователь энергии постоянного тока в импульсный, содержащий фотоэлемент на основе косонапыленной фотовольтаической пленки, первичный источник тока, искусственный источник света, замыкатель и накопитель (см. а. с. СССР N 726415, кл. F 42 S 11/00, H 02 M 3/00, 1980 г.). В случае освещения цепочки микрофотоэлементов солнечным светом или светом от искусственного источника она генерирует ток высокого напряжения, достигающего величины 10⁴ В.

Генерируемый фотоэлементом ток высокого напряжения, наличие приспособления для механического регулирования положения пластины относительно косонапыленной фотовольтаической пленки и электростатических сил взаимодействия между ними, являются факторами снижающими надежность устройства и ограничивающими области его применения, что в свою очередь свидетельствует об ограниченности его функциональных возможностей.

Во всех известных фотопреобразователях процесс преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию находится в зависимости от фактического состояния естественного или искусственного источника света, то-есть от "светлого" и "темного" времени суток, или "включено"-"выключено" состояние электрического источника тока, питающего искусственный источник света, что является признаком прерывистости процесса преобразования одного вида энергии в другой и ограниченности их функциональных возможностей.

Целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей фотопреобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в состав фотопреобразователя, содержащего первичный источник тока, искусственный источник света, батарею фотоэлементов и коммутационные элементы, введен источник вторичного электропитания в виде пьезотранзисторного преобразователя, наличие которого сводит к минимуму зависимость процесса преобразования энергии светового излучения в энергию постоянного тока на выходе от наличия энергии кратковременно включаемого первичного источника тока, а подача электрической энергии с выхода фотопреобразователя на вход пьезотранзисторного преобразователя, электрически соединенного обратной связью (см. ст. "Обратная связь", Физическая энциклопедия, т. 3, с.384, М., 1992 г.: Физический энциклопедический словарь, с.477, М., 1983 г.), обеспечивает непрерывность процесса преобразования энергии светового излучения в электрическую энергию и необходимую длительность работы искусственного источника света и батареи фотоэлементов в самоподдерживающемся режиме.

Предлагаемое устройство конструктивно просто и не требует графического изображения.

Практическая реализация технического решения предполагает изготовление множества типов и форм устройства соответствующих конкретной области применения путем помещения его в корпус необходимой конструкции и использования в качестве первичного источника тока электрохимического источника тока или электромеханического преобразователя тока и тому подобного.

Один из типов предлагаемого устройства представляет собой прибор, состоящий из помещенных в корпус контейнерного типа последовательно электрически соединенных между собой первичного источника тока, источника вторичного электропитания, электрически соединенного обратной связью с выходом фотопреобразователя, источника искусственного света и оптически соединенной с ним батареи фотоэлементов.

В качестве корпуса преобразователя использован электросиловой распределительный шкаф соответствующих габаритов, изготовленный из стального листового проката, в нижней и верхней части боковых стенок которого выполнены вентиляционные отверстия. Одна из боковых стенок имеет проем с крышкой и конструктивными элементами для установки и обслуживания первичного источника питания, пьезотранзисторного преобразователя, коммутационных аппаратов и клеммных колодок. С лицевой стороны шкафа имеется одностворчатая дверь, имеющая уплотнительные и запирающие элементы конструкции, необходимая для обслуживания батарей фотоэлементов и искусственных источников света. На верхней и нижней торцевой части шкафа в плоскости параллельной лицевой поверхности его установлены патроны для люминисцентных ламп и конструкции для установки и крепления батарей фотоэлементов таким образом, что световой поток лампы направлен на светочувствительный слой батареи. Конструкционные элементы, предназначенные для установки и крепления батарей фото - элементов и находящиеся между рядами ламп, выполнены с учетом возможности установки батарей попарно в положении противоположно направленных относительно друг друга светочувствительных слоев. Предусмотрена установка батарей на задней стенке и внутренней поверхности двери шкафа. Внутри шкафа имеются конструкционные элементы, необходимые для прокладки и крепления соединительных проводов. На наружной поверхности нижней торцевой части шкафа предусмотрены места установки и крепления опорных элементов.

В качестве первичного источника тока использован малогабаритный аккумулятор на номинальное напряжение 12 В.

В качестве источника вторичного питания используется пьезотранзисторный преобразователь с автогенератором и пьезокерамическим трансформатором (см. А. А. Ерофеев, Г.А.Данов, В.Н.Фролов: Пьезокерамические трансформаторы и их применение в радиоэлектронике. М., "Радиосвязь", 1988 г., 3.1, с. 69-77, 3.2, с. 87-89.), высоковольтный выход которого соединен с электродами люминисцентных ламп высоковольтным проводом соответствующего исполнения, а вход соединен с первичным источником тока обычным проводом и обычными коммутирующими элементами.

Искусственный источник света представляет собой обычную люминисцентную лампу мощностью 40 Bт, выпускаемую серийно предприятиями электрических источников света.

Батарея фотоэлементов, серийное производство которых осуществляется отечественными заводами, используется в качестве основного источника тока фотопреобразователя.

В качестве коммутационных элементов используются выключатели, розетки, патроны, электронные реле и тому подобное исполнения соответствующего требованиям "Правил устройства электроустановок".

При подаче на вход пьезотранзисторного преобразователя постоянного напряжения величиной 12 В, на его выходе появляется переменное высокочастотное напряжение 1 - 2 кВ, поступающее на люминисцентную лампу, создавая поле электромагнитного излучения между ее электродами. Под воздействием энергии электромагнитного излучения происходит возбуждение и пробой газоразрядного промежутка, а затем и стационарный разряд в люминисцентной лампе. Одновременно происходит возбуждение люминофора внутри лампы. Световое излучение газа и возбужденного люминофора вызывает интенсивное световое излучение лампы.

Под воздействием энергии светового излучения люминисцентной лампы происходит возбуждение светочувствительного слоя батареи фотоэлементов и на ее выходе появляется электрический ток постоянного напряжения.

В соответствии с принципом обратной связи, с одного из выходов батареи фотоэлементов через коммутационные элементы схемы электрический ток постоянного напряжения 12 В подается на вход пьезотранзисторного преобразователя, первичный источник тока автоматически отключается, а процесс последовательного преобразования электрической энергии в энергию светового излучения и энергии светового излучения в электрическую энергию становится самоподдерживающимся.

Простота конструкции предлагаемого устройства и технологического процесса его сборки, по степени сложности сравниваемого с отверточными технологиями, а также применение в качестве комплектующих изделий, серийно выпускающихся отечественной промышленностью, делает организацию его производства доступной любому предприятию электротехнической промышленности.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для преобразования энергии постоянного тока на входе в энергию постоянного тока на выходе, и может быть использовано в качестве энергоустановки в системах электропитания потребителей объектов многих областей науки и техники. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей фотопреобразователя. Результат достигается тем, что в состав предлагаемого устройства введен источник вторичного электропитания, вход которого электрически соединен обратной связью с выходом фотопреобразователя.

Фотопреобразователь, содержащий батарею фотоэлементов, первичный источник тока, искусственный источник света и коммутационные элементы, отличающийся тем, что в него введен электрически соединенный с выходом батареи фотоэлементов источник второго электропитания, выход которого электрически соединен с искусственным источником света.